宗博藝 李世昌 孫朋 袁子琪

華東師范大學(xué)青少年健康評(píng)價(jià)與運(yùn)動(dòng)干預(yù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/體育與健康學(xué)院，上海 200241

肌肉衰減癥，又稱“肌少癥”，是指與增齡相關(guān)的全身進(jìn)行性肌肉質(zhì)量減少，肌強(qiáng)度下降或肌肉功能減退[1]；骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少，骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，骨脆性增加為主要特征的全身性骨骼疾病[2]。兩種疾病具有相似的病理生理學(xué)基礎(chǔ)，針對(duì)肌肉、骨骼分子水平上的共同靶點(diǎn)施加干預(yù)成為治療肌骨系統(tǒng)疾病(如肌少-骨質(zhì)疏松癥)的有效方式[3]。研究認(rèn)為，除了對(duì)骨骼產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)外，骨骼肌還可通過分泌白細(xì)胞介素-6(interleukin 6，IL-6)和鳶尾素等“肌肉因子”影響骨代謝[4]。然而迄今為止，骨骼作用于肌肉的生理途徑仍是一個(gè)全新的研究熱點(diǎn)。Brotto等[5]提出，既然肌肉和骨骼作為兩種聯(lián)系緊密的器官，為什么肌肉-骨骼的關(guān)系是單向的，只有肌肉影響骨骼，反之則不然？如果骨骼能夠分泌大量因子，為什么這些因子不能對(duì)肌肉產(chǎn)生影響甚至優(yōu)化肌肉功能？

骨骼腔隙系統(tǒng)與血管系統(tǒng)相連，骨組織細(xì)胞可釋放因子到血液循環(huán)，影響包括肌肉在內(nèi)的其他組織器官功能。研究表明，骨鈣素(osteocalcin，OCN)、無翅型MMTV整合位點(diǎn)家族成員3a(wingless MMTV integration site family member 3a，Wnt3a)、前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1，IGF-1)、機(jī)械生長因子(mechano growth facoors，MGF)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor-β,TGF-β)等因子均可對(duì)肌肉功能進(jìn)行調(diào)控(圖1)。本文擬對(duì)骨骼源性因子與肌組織代謝之間的關(guān)系進(jìn)行探討，以全新的角度探究肌骨間的分子串?dāng)_，以期加深對(duì)肌骨系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與理解，為探索肌骨疾病“一石二鳥”的病理學(xué)、藥理學(xué)及運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案提供新的依據(jù)。

圖1 骨骼源性因子對(duì)骨骼肌的影響示意圖[5-7]Fig.1 Schematic diagram of the effect of bone-derived factors on the skeletal muscle[5-7]

1 骨鈣素

OCN是一種骨特異性非膠原蛋白，在骨骼系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。一方面作為骨礦化的調(diào)節(jié)劑，另一方面通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性來調(diào)控骨代謝[8]。OCN可分為羧化完全骨鈣素(carboxylated osteocalcin，cOCN)和羧化不全骨鈣素(uncarboxylated osteocalcin，uOCN)。其中，uOCN可進(jìn)入循環(huán)激活包括胰腺、腦和睪丸等多組織生物學(xué)功能[9]。最新研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌也是uOCN的靶器官之一，uOCN可通過其特定的G蛋白偶聯(lián)受體C家族6組A亞型(GPRC6A)，促進(jìn)肌細(xì)胞生長并增加肌纖維強(qiáng)度[10-14]。在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中，外源性u(píng)OCN的補(bǔ)充可增加小鼠趾長伸肌橫截面積和抓握力，促進(jìn)C2C12成肌細(xì)胞培養(yǎng)過程中肌管形成[13]。Mera等[15]研究提出，uOCN可增加老年鼠肌管中蛋白質(zhì)合成，與健康對(duì)照相比，OCN-/-鼠表現(xiàn)出肌肉質(zhì)量低和力量弱的特點(diǎn)。此外，人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，uOCN濃度過低會(huì)引發(fā)中老年女性的髖屈肌、髖外展肌和股四頭肌力量不足[12]。

肌肉衰老常伴隨著關(guān)鍵的肌肉細(xì)胞信號(hào)通路蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，即Akt)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated kinase1/2，ERK1/2)的活化程度下降[16]。uOCN在C2C12成肌細(xì)胞中順序激活PI3K /Akt和p38MAPK途徑誘導(dǎo)成肌細(xì)胞增殖，激活GPRC6A/ERK1/2信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制增強(qiáng)肌源性分化，GPRC6A缺失會(huì)抑制C2C12細(xì)胞中Akt、p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和肌管中ERK1/2磷酸化，延緩肌細(xì)胞增殖與分化并下調(diào)MyHC表達(dá)[17]。此外，uOCN蛋白表達(dá)水平以肌肉類型特異性方式與mTORC1和叉頭框轉(zhuǎn)錄因子(forkhead box O，F(xiàn)OXO)信號(hào)通路中若干因子的表達(dá)和活性密切相關(guān)。循環(huán)uOCN和GPRC6A水平降低可引起相關(guān)肌肉類型的肌萎縮，加大后肢固定作用對(duì)uOCN/GPRC6A/ERK以及uOCN/GPRC6A/單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK)信號(hào)級(jí)聯(lián)的影響[18]。

研究證實(shí)，OCN可間接調(diào)控骨骼肌糖脂代謝，發(fā)展肌肉耐力。肌纖維GPRC6A- / -小鼠運(yùn)動(dòng)能力低于對(duì)照鼠約30%，運(yùn)動(dòng)后全身最大耗氧量，離體肌纖維耗氧量和骨骼肌內(nèi)ATP濃度相對(duì)較低[19-20]。環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)介導(dǎo)OCN調(diào)節(jié)肌管中葡萄糖攝取和肌纖維中糖酵解[21]。OCN信號(hào)活化可增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)過程中肌糖原分解，誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)向質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)[22]。通過這些組合功能，OCN可提供增強(qiáng)三羧酸循環(huán)進(jìn)程所必需的碳原子，從而補(bǔ)充骨骼肌運(yùn)動(dòng)時(shí)所需ATP。此外，骨骼作用于肌肉引發(fā)的“前饋調(diào)節(jié)環(huán)”決定了機(jī)體的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)[19]。首先，OCN增強(qiáng)肌纖維中葡萄糖和脂肪酸的攝取及分解代謝；其次，在運(yùn)動(dòng)過程中，由OCN引發(fā)的肌肉IL-6分泌增加，又促進(jìn)葡萄糖和脂肪酸產(chǎn)生；最后，IL-6可通過調(diào)節(jié)骨吸收，增加uOCN的釋放。綜上，外源性u(píng)OCN補(bǔ)充可作為肌肉減少癥和骨骼肌功能紊亂的潛在治療方法，OCN介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)機(jī)制能夠有效緩解老年人和體弱患者肌肉流失，維持其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作能力。

2 無翅型MMTV整合位點(diǎn)家族成員3a

Wnt3a是經(jīng)典Wnt/β-catenin通路的重要配體，通過旁分泌、自分泌的方式釋放于胞外結(jié)合細(xì)胞表面受體，以激活下游信號(hào)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)。研究鑒定了Wnt3a介導(dǎo)的成骨細(xì)胞反饋機(jī)制，在成骨細(xì)胞增殖或分化的早期階段起促進(jìn)作用，在成熟和礦化過程中起抑制作用。Wnt3a可上調(diào)Pdgfa、Cyr61和Tgfb3等早期成骨調(diào)節(jié)因子表達(dá)，下調(diào)Vdr和Rspo2等成熟和礦化的調(diào)節(jié)因子表達(dá)[23]。此外，Wnt3a還可阻斷c-Fos表達(dá)減弱核因子KB受體活化因子配體(receptor activator of NF-KB ligand，RANKL)驅(qū)動(dòng)的破骨細(xì)胞生成，逆轉(zhuǎn)骨髓細(xì)胞響應(yīng)RANKL升高的β-catenin磷酸化水平，并且還原RANKL誘導(dǎo)的Trap和Oscar等破骨細(xì)胞標(biāo)記基因表達(dá)[24-25]。

研究表明，骨骼分泌Wnt3a受機(jī)械應(yīng)力調(diào)控，繼而向肌細(xì)胞發(fā)出信號(hào)。骨細(xì)胞樣MLO-Y4細(xì)胞條件培養(yǎng)基(conditioned medium，CM)能夠使比目魚肌收縮力增加約25%，而CM內(nèi)特異性抑制Wnt3a則顯著減弱了這種影響。Wnt3a可通過激活Wnt、Notch和信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3，STAT3)等信號(hào)通路調(diào)節(jié)C2C12成肌細(xì)胞分化[26]。Ridgeway等[27]研究顯示，Wnt3a可激活MyoD和Myogenin等肌源性調(diào)節(jié)因子，并刺激β-catenin易位至C2C12肌細(xì)胞核，促進(jìn)肌源性標(biāo)志物MyoG、MHC和β-catenin途徑下游基因過表達(dá)。此外，骨源性Wnt3a作為調(diào)節(jié)肌組織細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)和Wnt/β- catenin途徑的重要媒介，還參與調(diào)控細(xì)胞內(nèi)Ca2 +穩(wěn)態(tài)作為增強(qiáng)肌肉收縮力的觸發(fā)機(jī)制，誘導(dǎo)肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum，SR)鈣釋放、SR鈣吸收和存儲(chǔ)鈣進(jìn)入成肌細(xì)胞分化進(jìn)程，并上調(diào)對(duì)肌管穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞肥大起關(guān)鍵作用的Ca2+信號(hào)基因(CamkII、Nfatc3和Srf)以及與線粒體生物合成和氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因(Pgc1α和Sod1)的表達(dá)[26]。相關(guān)研究還表明，Wnt3a具有促進(jìn)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)擴(kuò)增的能力[28]。一方面，Wnt3a可誘導(dǎo)β-catenin核轉(zhuǎn)位并激活BMSCs中Wnt通路，加快細(xì)胞增殖并保持分化潛力；另一方面，Wnt3a可通過下調(diào)CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(CCAAT/enhancer binding protein α，C/EBPα)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)的表達(dá)抑制BMSCs成脂分化[29]。Wnt3a信號(hào)介導(dǎo)BMSCs肌源性分化，為人類基于細(xì)胞水平的組織修復(fù)提供合理的理論基礎(chǔ)。

3 前列腺素E2

PGE2是一種內(nèi)源性脂質(zhì)介質(zhì)，由花生四烯酸在磷脂酶、環(huán)氧合酶和前列腺素E合成酶作用下代謝產(chǎn)生。骨骼系統(tǒng)中，PGE2可參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞功能及細(xì)胞間通訊[30-31]。PGE2通過激活p38MAPK、p44/p42 MAPK和應(yīng)激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)/c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)，在成骨細(xì)胞樣MC3T3-E1細(xì)胞中刺激骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)合成，促進(jìn)骨形成[32]。另有研究發(fā)現(xiàn)，PGE2可刺激RANKL產(chǎn)生，以環(huán)磷酸腺苷(cyclic Adenosine monophosphate，cAMP)依賴性方式抑制成骨細(xì)胞中OPG的產(chǎn)生[33-34]。上述結(jié)果可能源于骨組織細(xì)胞內(nèi)4種G蛋白偶聯(lián)受體亞型(EP1、EP2、EP3、EP4)通過不同的途徑發(fā)出信號(hào)，引起PGE2在骨骼中發(fā)揮雙向功能[35]。

骨源性PGE2主要結(jié)合EP4調(diào)控骨骼肌代謝，Mo等[36]實(shí)驗(yàn)研究顯示，PGE2可誘導(dǎo)肌源性分化引起，MyoD和MyoG等轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子表達(dá)上調(diào)。此外，PGE2結(jié)合EP4可加速細(xì)胞周期中G1-S相變以促進(jìn)原代成肌細(xì)胞增殖，并作為骨骼肌中氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)劑，減少EP4誘發(fā)的成肌細(xì)胞活性氧產(chǎn)生。近期研究表明，成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中間隙連接蛋白43(connexin 43，Cx43)缺失會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)肌纖維形成受損，而機(jī)械應(yīng)力增加骨細(xì)胞中PGE2釋放，可激活cAMP/激酶A(protein kinase A，PKA)和磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/Akt途徑，誘導(dǎo)糖原合成酶3(glycogen synthase kinase 3，GSK-3)磷酸化和失活，β-catenin核轉(zhuǎn)位增加[11]。細(xì)胞核中β-catenin參與Cx43啟動(dòng)子調(diào)控，上調(diào)Cx43 mRNA表達(dá)，逆轉(zhuǎn)由Cx43缺失引起的肌組織損傷[30]。另有研究發(fā)現(xiàn)，肌肉損傷引發(fā)系列炎癥反應(yīng)，PGE2作為炎癥細(xì)胞因子，可結(jié)合EP4直接靶向肌組織，引起肌肉擴(kuò)張，在許多病理性疾病如肌肉萎縮、肌肉營養(yǎng)不良中具有顯著意義[37-38]。骨細(xì)胞中PGE2分泌量比肌肉細(xì)胞多1 000倍，超生理水平的PGE2作用于損傷的肌肉，可促進(jìn)骨骼肌的重塑和修復(fù)[39]。值得關(guān)注的是，骨骼肌中還存在一種靜止的肌肉特異性干細(xì)胞(muscle specific stem cells，MuSCs)，可在整個(gè)生命過程進(jìn)行組織再生，而MuSCs中EP4特異性遺傳消融將會(huì)間斷PGE2信號(hào)傳導(dǎo)，阻止此進(jìn)程以導(dǎo)致肌力下降。PGE2和EP4相互作用可通過激活誘導(dǎo)增殖的轉(zhuǎn)錄因子NURR1的cAMP/phosphor-CREB途徑引起MuSCs擴(kuò)增。由此，PGE2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能夠作為肌肉干細(xì)胞功能的“變阻器”。PGE2由骨細(xì)胞合成并分泌到干細(xì)胞生態(tài)位中以響應(yīng)損傷，誘發(fā)MuSCs增殖，是肌纖維受損后修復(fù)的關(guān)鍵步驟[40]。

4 其他因子

離體實(shí)驗(yàn)研究顯示，流動(dòng)流體剪切應(yīng)力可增加骨細(xì)胞樣MLO-Y4細(xì)胞分泌IGF-1、MGF、VEGF和HGF等因子[41]。IGF-1是骨基質(zhì)中最豐富的生長因子，在成年期參與維持骨量。Xian等[42]報(bào)道，骨重建期間從骨基質(zhì)釋放的IGF-1可激活mTOR刺激募集的MSCs向成骨細(xì)胞分化，以維持適當(dāng)?shù)墓俏⒔Y(jié)構(gòu)和質(zhì)量。進(jìn)入血液循環(huán)后，IGF-1還能夠促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖和分化，在機(jī)體發(fā)育過程中作為調(diào)節(jié)肌肉量的重要因子。骨骼肌中IGF-1信號(hào)傳導(dǎo)下游Akt活化會(huì)引發(fā)快速且顯著的肌肉肥大效應(yīng)，絕對(duì)力量增加[43]。MGF作為IGF-1的剪接變構(gòu)體和局部自分泌的生長因子，可通過延長細(xì)胞周期的G1期，在特異性培養(yǎng)基誘導(dǎo)期間增強(qiáng)BMSCs成骨分化。骨骼肌損傷后，MGF先于衛(wèi)星細(xì)胞激活發(fā)生，同時(shí)促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖[44]。研究表明，BMSCs通過旁分泌釋放VEGF刺激成肌細(xì)胞增殖。Sassoli等[45]向C2C12細(xì)胞中添加MSCs衍生CM可增強(qiáng)VEGFR磷酸化并提高其表達(dá)水平，而KRN633(VEGFR抑制劑)處理后導(dǎo)致受體活化顯著減少，并減弱MSCs-CM對(duì)C2C12細(xì)胞生長和Motch-1(成肌細(xì)胞活化和增殖的關(guān)鍵決定因子)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響。HGF在骨形成中發(fā)揮多重功能，參與維持骨再生，血管生成和成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的平衡，不僅刺激成骨細(xì)胞分化并抑制礦化，也可刺激破骨細(xì)胞生成。而骨源性HGF快速釋放可促進(jìn)功能性肌肉組織的重塑并增強(qiáng)骨骼肌再生[46-47]。

自1988年鑒定BMP-2作為骨和軟骨形成的有效誘導(dǎo)劑以來，BMP超家族信號(hào)成為脊椎動(dòng)物骨骼生物學(xué)研究中最豐富的信號(hào)之一[48]。成骨細(xì)胞產(chǎn)生的BMP-2可自由分泌或結(jié)合到骨基質(zhì)中，隨后在破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收過程中被釋放。結(jié)構(gòu)活躍的BMP信號(hào)能促進(jìn)去神經(jīng)支配后的肌肉肥大并減少肌肉萎縮。另有研究還闡明了BMP/Smad1、5、8信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在促進(jìn)肌肉生長和維持成人肌肉力量中的重要作用[49- 50]。

骨組織中的TGF-β主要由骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞等通過自分泌和旁分泌途徑合成。與引起骨骼肌肥大反應(yīng)的骨衍生因子相反，骨骼在病理狀態(tài)下會(huì)分泌過量TGF-β及其家族成員肌肉生長抑制素、活化素和生長轉(zhuǎn)化因子-11，通過激活素受體2B發(fā)出信號(hào)，抑制肌肉功能[51-52]。盡管TGF-β和后者均導(dǎo)致肌肉功能障礙，但它們的模式卻不同。腺相關(guān)病毒(adeno-associated viral vector，AAV)載體在肌肉中表達(dá)時(shí)，活化素會(huì)誘發(fā)全身性肌肉萎縮和惡病質(zhì)。在活化素水平表達(dá)較高的肌組織中，存在嚴(yán)重的肌肉質(zhì)量損失和峰值力降低，但比力值沒有變化。相比之下，體內(nèi)用TGF-β處理后肌肉質(zhì)量并無變化，但其纖維化和橫截面積降低，導(dǎo)致骨骼肌峰值力和比力值均降低[53]。Regan等[54]研究認(rèn)為，Nox4/阿諾堿受體1(ryanodine receptor 1，RyR1)信號(hào)軸參與骨基質(zhì)釋放的TGF-β引發(fā)RyR1氧化應(yīng)激和骨骼肌內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡，嚴(yán)重影響肌肉功能。

表1骨骼源性因子介導(dǎo)的骨骼肌生理進(jìn)程與功能

Table1Physiological processes and functions of the skeletal muscle mediated by bone-derived factors

骨骼源性因子參與的骨骼肌生理進(jìn)程與功能OCN誘導(dǎo)成肌細(xì)胞增殖與分化;改善肌肉能量代謝;增強(qiáng)肌肉力量和耐力Wnt3a誘導(dǎo)肌源性分化;調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激PGE2減輕炎癥反應(yīng);修復(fù)肌纖維損傷IGF-1誘導(dǎo)成肌細(xì)胞增殖與分化;增強(qiáng)肌肉力量MGF促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖VEGF促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖HGF增加肌肉重塑和再生BMP-2加快肌肉生長;維持肌肉力量TGF-β降低肌肉功能

5 小結(jié)與展望

肌肉與骨骼同屬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩大器官，在維持人體健康中的作用不容忽視。骨源性O(shè)CN等對(duì)骨骼肌代謝的正向調(diào)控包括：①促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)肌源性分化；②維持骨骼肌力量素質(zhì)，減少氧化應(yīng)激，增強(qiáng)肌骨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性；③提高肌肉組織損傷后再生和重塑能力，加速肌組織修復(fù)(表1)。然而，在病理學(xué)狀態(tài)下，肌組織微環(huán)境中的骨骼源性TGF-β增加，會(huì)損害骨骼肌。骨質(zhì)疏松患者體內(nèi)骨重構(gòu)失衡，引發(fā)多種骨骼源性因子分泌異常，潛在地影響肌組織結(jié)構(gòu)與功能，降低肌肉質(zhì)量。未來研究亟待解決如下問題：首先，多數(shù)骨骼源性因子能夠改善肌肉功能，但其發(fā)揮作用的最佳劑量尚無定論；其次，不同骨骼源性因子在肌組織代謝調(diào)控中是否存在交互效應(yīng)甚至于相互制約的影響尚不明晰；再次，骨硬化蛋白等因子可制約骨骼肌發(fā)展[6]，采取何種手段抑制其介導(dǎo)的肌骨間交流途徑尚不確定；最后，運(yùn)動(dòng)干預(yù)可直接刺激肌骨系統(tǒng)，延緩肌肉衰減和骨質(zhì)疏松的發(fā)生，但運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼源性因子的調(diào)節(jié)效果尚不知曉。建議下一步以骨骼為作用靶點(diǎn)，繼續(xù)探尋骨骼源性因子在肌骨系統(tǒng)中的作用機(jī)理，力求同時(shí)提高骨骼和肌肉的強(qiáng)度和功能，為降低肌骨疾病的發(fā)生提供新的著力點(diǎn)。